近红外光谱法定量分析及其应用研究

摘要

近红外光谱技术(NIR)是一种高效快速的现代分析技术，它综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果。自上世纪80年代以来，随着计算机技术和化学计量学的迅速发展，近红外光谱在各领域中的应用研究蓬勃展开。并已逐渐得到大众的普遍接受和官方的认可。鉴于其分析速度快、分析效率高、非破坏性、分析成本低、无污染、不需预处理、操作方便等特点，至今，已在制药工业、食品工业、高分子、石油化工等多个领域获得广泛的应用。 本文在重庆市教委资助项目(No．KJ051303)，教育部春晖计划(Z2005-1-55001)的资助下，研究了近红外光谱法定量分析及其应用研究。由综述和研究报告两部分组成。综述部分简单概述了近红外光谱技术的原理、分析特点以及与之相结合应用的化学计量学在分析中的应用。 研究报告部分由5部分构成： 1、近红外光谱法定量分析水溶液中葡萄糖、麦芽糖和β—环糊精。 本文应用正交设计法配制了葡萄糖、麦芽糖和β—环糊精混合水溶液的29个样品(其中25个用作校正集样品，4个用作预测集样品)，用紫外/可见/近红外分光光度计在其近红外光谱区域扫描此混合水溶液样品的近红外光谱，并用Unscrambler定量分析软件将近红外光谱与对应的化学成分值相关联，在不同波长范围下建立了水溶液中葡萄糖、麦芽糖和β—环糊精的近红外原始光谱、一阶导数光谱的PLS定量分析数学模型，根据模型评价参数选择了最佳模型，并且用这些模型对未知样品进行了预测。结果显示，对浓度范围分别在22.73～104.17mg/mL、22.73～104.17mg/mL和1.85～8.41mg/mL的葡萄糖、麦芽糖和β—环糊精水溶液，其NIR数学模型的相关系数分别为0.9946、0.9976和0.9036，模型的预测相对偏差(RMSEP)分别为2.52、1.95和0.87，预测标准偏差(SEP)分别为2.58、2.01和0.90。 2、温度对乙醇含量测定近红外模型的影响。 以不同浓度的乙醇溶液为实验材料，研究了温度对近红外光谱法定量分析结果的影响。对体积百分比在5％～70％范围内的乙醇溶液，在15℃、18℃、20℃、25℃和28℃等5个温度点做了研究．对光谱经过不同预处理后，使用不同浓度的20个样品建立了测定乙醇含量的PLS校正模型，根据模型评价参数选择了最佳模型。分析结果显示，温度在20℃时采用一阶导数(3点平滑)光谱预处理所建立的模型最佳．其相关系数为0.9986，预测均方根误差(RMSEP)和预测标准误差(SEP)分别为0.0079和0.0081。 3、近红外光谱法同时测定废水中的化学需氧量和生化需氧量。 为快速确定废水的污染程度，采用120个废水样品的近红外透射光谱结合偏最小二乘法，分别建立了废水中化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)的预测模型，并对光谱数据预处理方法和异常值诊断进行了讨论。所建的废水中化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)的预测模型相关系数分别为0.9542和0.9652；模型的预测相对偏差(RMSEP)分别为25.24和12.13；预测范围分别为：28.40～528.0mg/mL和16.0～305.2mg/mL。通过对模型进行t—检验，在显著性水平大于0.05的条件下，测定结果与标准方法的测定结果对比，两者无显著性差异。该分析方法应用于同时测定废水中化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)，结果令人满意。 4、近红外光谱法同时测定藿香正气液中的厚朴酚与和厚朴酚。 为更好地控制藿香正气口服液的产品质量，收集太极集团7个不同批次的藿香正气口服液32个样品，用近红外光谱结合偏最小二乘法建立了测定厚朴酚与和厚朴酚的校正模型，并经优化、验证、预测藿香正气口服液样品中厚朴酚与和厚朴酚的含量。厚朴酚与和厚朴酚的优化模型的相关系数、预测相对偏差(RMSEP)分别为：厚朴酚0.9294、0.36；和厚朴酚0.8944、0.26。通过对模型进行t—检验，在显著性水平大于0.05的条件下，其测定结果与标准方法的测定结果对比，两者无显著性差异。该分析方法应用于同时测定藿香正气口服液中的有效成分厚朴酚与和厚朴酚，结果令人满意。 5、短波近红外光谱法同时测定盐酸氯丙嗪和盐酸异丙嗪。 利用近红外光谱法研究了盐酸氯丙嗪和盐酸异丙嗪混合水溶液样品。对光谱经过10种不同预处理后，用Unscrambler定量分析软件将近红外光谱与对应的化学成分值相关联，分别建立了测定盐酸氯丙嗪和盐酸异丙嗪含量的PLS校正模型。根据模型评价参数选择了最佳模型，并且用这些模型对未知样品进行了预测。结果显示，对浓度范围在1～13mg·mL-1的盐酸氯丙嗪和盐酸异丙嗪的水溶液，其NIR最佳数学模型的相关系数分别为0.9432和0.9670，模型的预测相对偏差(RMSEP)分别为1.05和1.11。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1近红外光谱技术概述

1.1近红外光谱技术的发展历程

1.2近红外光谱分析技术的基本原理

1.3近红外光谱分析技术的特点

2近红外光谱分析中常用的化学计量学方法

2.1光谱数据的预处理

2.2定量模型的的校正

3近红外光谱分析技术的应用领域

参考文献：

第二章近红外光谱法定量分析水溶液中葡萄糖、麦芽糖和β-环糊精

1实验部分

1.1材料

1.2图谱采集

1.3 PLS模型的建立

2结果与讨论

2.1近红外光谱

2.2数学模型的的建立与评价

2.3模型的检验

3结论

参考文献：

第三章温度对乙醇含量测定近红外模型的影响

1实验部分

1.1材料

1.2图谱采集

1.3 PLS模型的建立

2结果与讨论

2.1温度对近红外光谱的影响

2.2光谱数据的预处理

2.3模型算法的选择与模型的优化

2.4温度对数学模型的影响

2.5模型的验证

3结论

参考文献：

第四章近红外光谱法同时测定废水中的化学需氧量和生化需氧量

1实验部分

1.1仪器

1.2废水的采集

1.3实验方法

2.结果与讨论

2.1模型算法的选择

2.2光谱数据预处理方法的选择

2.3模型的优化

2.4模型的验证

2.5精密度

3.结论

参考文献：

第五章近红外光谱法同时测定藿香正气液中的厚朴酚与和厚朴酚

1实验部分

1.1仪器

1.2样本与试剂

1.3实验方法

2结果与讨论

2.1近红外光谱

2.2模型算法的选择

2.3模型的建立与评价

2.4模型的验证

参考文献：

第六章短波近红外光谱法同时测定盐酸氯丙嗪和盐酸异丙嗪

1实验部分

1.1材料

1.2图谱采集

1.3 PLS模型的建立

2结果与讨论

2.1光谱预处理方法的选择

2.2异常点的去除

2.3校正模型的建立

2.4模型的外部检验

2.5精密度实验

参考文献：

硕士期间发表的论文

致谢